ITCZ20060005A1 - LOCAL CONTROL SYSTEM AND STABILIZATION OF A CONGEGNO FOR THE WRITING OF HOLOGRAPHIC PATTERNS - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:Sistema di controllo locale e stabilizzazione di un congegno per la scrittura dei reticoli olografici. DESCRIPTION of the industrial invention entitled: Local control and stabilization system of a device for writing holographic gratings.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce alla realizzazione di un set-up olografico con un controllo locale della stabilità della figura d'interferenza. The present invention relates to the realization of a holographic set-up with a local control of the stability of the interference figure.
Sin dall'invenzione dell'olografia, da parte di Gabor nel 1947, risultò chiaro che l'elevato grado di precisione di tale tecnica richiede una serie di accortezze sperimentali. Mediante l'utilizzo di sorgenti laser e radiazioni monocromatiche sono stati risolti una serie di problemi per l'applicazione di tale tecnica e, negli ultimi 15 anni, le applicazioni olografiche hanno interessato diversi settori di ricerca . In particolare Sutherland ed il suo gruppo hanno osservato che mediante l'utilizzo di una figura d'interferenza, generata da due raggi laser, è possibile realizzare delle strutture periodiche in materiali fotosensibili. La buona qualità di tali strutture, studiate in numerosi articoli scientifici, ha permesso la realizzazione di diversi sistemi quali reticoli olografici, cristalli fotonici e sistemi laser organici. Recentemente sono stati ottenuti dei reticoli con delle buone qualità ottiche, formati da strisce di polimero separate da film di cristallo liquido in fase nematica; tali reticoli sono stati chiamati POLICRYPS<1>(da POlymer-LIquid-CRYstal-Polymer-Slices) . La particolare tecnica utilizzata per il curaggio (dove per curaggio intendiamo il processo di scrittura) di questi reticoli previene il processo di separazione di fase e quindi, per tutta la durata del curaggio, la figura d'interferenza all'interno del campione non viene modificata dall'eventuale diffusione dovuta alla presenza di gocce di nematico. Un tipico setup di curaggio è presentato nella fig 1. Il fascio laser (1), dopo un controllo standard in intensità (2-3), viene allargato da un telescopico beam expander (4), il fascio incide su uno specchio semiriflettente (5), le due componenti vengono riflesse da due specchi (6,7)e incidono sul porta campioni (8), generando una figura d'interferenza prodotta dalla sovrapposizione dei fasci (20,21). Per poter monitorare l'efficienza di diffrazione del reticolo durante la fase di scrittura, si utilizza un secondo laser (9), il quale viene monitorato da due fotorivelatori (10,11). Since the invention of holography by Gabor in 1947, it has become clear that the high degree of precision of this technique requires a series of experimental precautions. Through the use of laser sources and monochromatic radiations, a series of problems for the application of this technique have been solved and, in the last 15 years, holographic applications have affected various research sectors. In particular, Sutherland and his team observed that through the use of an interference pattern, generated by two laser beams, it is possible to create periodic structures in photosensitive materials. The good quality of these structures, studied in numerous scientific articles, has allowed the realization of different systems such as holographic lattices, photonic crystals and organic laser systems. Recently, lattices with good optical qualities have been obtained, formed by strips of polymer separated by liquid crystal films in the nematic phase; such lattices have been called POLICRYPS <1> (from POlymer-LIquid-CRYstal-Polymer-Slices). The particular technique used for the cure (where by cure we mean the writing process) of these grids prevents the phase separation process and therefore, for the entire duration of the cure, the interference figure inside the sample is not modified. from any diffusion due to the presence of nematic drops. A typical cure setup is presented in fig 1. The laser beam (1), after a standard intensity control (2-3), is widened by a telescopic beam expander (4), the beam hits a semi-reflective mirror (5 ), the two components are reflected by two mirrors (6,7) and affect the sample holder (8), generating an interference pattern produced by the overlapping of the beams (20,21). In order to monitor the diffraction efficiency of the grating during the writing phase, a second laser (9) is used, which is monitored by two photodetectors (10,11).
Recentemente è stato dimostrato<2>che se la stabilità del set-up sperimentale non è controllata, il processo di scrittura dei reticoli, realizzati in materiali compositi liquidocristallini tramite una figura d'interferenza generata da due raggi laser UV (processo di curaggio), è inficiato da vibrazioni che deteriorano la morfologia del dispositivo realizzato. Recently it has been shown <2> that if the stability of the experimental set-up is not controlled, the writing process of the lattices, made of liquid-crystalline composite materials, by means of an interference pattern generated by two UV laser rays (curing process), it is affected by vibrations that deteriorate the morphology of the device made.
La domanda di brevetto US2004008413 sebbene utilizzi uno specchio piezoelettrico, non presenta un segnale di riferimento prodotto dal reticolo di prova, rilevato da un fotorilevatore, acquisito da una scheda di acquisizione e con un personal computer che analizza il segnale di riferimento La presente invenzione permette di superare le difficol' e gli svantaggi nello stato dell'arte e quindi di monitorare e controllare il grado di stabilità della figura di interferenza utilizzata per la scrittura di reticoli olografici in materiali compositi liquido-cristallini. Patent application US2004008413, although it uses a piezoelectric mirror, does not present a reference signal produced by the test grating, detected by a photodetector, acquired by an acquisition card and with a personal computer that analyzes the reference signal. to overcome the difficulties and disadvantages in the state of the art and therefore to monitor and control the degree of stability of the interference figure used for writing holographic gratings in liquid-crystalline composite materials.
Una misura dello sfasamento tra il reticolo realizzato e la figura d'interferenza è un buon indicatore della stabilità del sistema. Recentemente è stato mostrato<2>che una tecnica del tutto innovativa per monitorare tale sfasamento, durante il processo di curaggio è quella di inserire un reticolo di diffrazione in riflessione (Fig 2). Tale reticolo (16) viene montato sullo stesso portacampioni (8) del reticolo da realizzare (17). L'apertura di ingresso di tale reticolo (foro circolare di 4 mm) è separata di 3 mm dall'apertura di ingresso del campione. Per cui, mediante un allargamento dei raggi laser incidenti (15 mm) si fa si che i due vengano contemporaneamente riflessi/diffratti dal reticolo di prova (16). L'angolo di incidenza dei due fasci viene scelto in modo tale che le componenti riflessa e diffratta vengano spazialmente accoppiate dal reticolo di prova. Le due componenti accoppiate vengono rilevate da un foto-rilevatore addizionale (15) montato al di sopra di uno degli specchi. E' possibile scrivere l'intensità misurata dal rilevatore come: A measure of the phase shift between the realized grating and the interference pattern is a good indicator of the stability of the system. Recently it has been shown <2> that a completely innovative technique to monitor this phase shift, during the curing process, is to insert a diffraction grating in reflection (Fig 2). This grating (16) is mounted on the same sample holder (8) as the grating to be made (17). The inlet opening of this grating (4 mm circular hole) is separated by 3 mm from the sample inlet opening. Therefore, by widening the incident laser beams (15 mm), the two are simultaneously reflected / diffracted by the test grating (16). The angle of incidence of the two beams is chosen so that the reflected and diffracted components are spatially coupled by the test grating. The two coupled components are detected by an additional photo-detector (15) mounted above one of the mirrors. It is possible to write the intensity measured by the detector as:
(1) (1)
In cui abbiamo indicato con Ired Idle intensità delle componenti riflesse e diffratte, mentre con (φrefla fase relativa del pattern d'interferenza rispetto al reticolo di prova (16). I risultati tipici ottenuti sono mostrati in figura 3. In which we have indicated with Ired Idle the intensity of the reflected and diffracted components, while with (φre the relative phase of the interference pattern with respect to the test grating (16). The typical results obtained are shown in Figure 3.
Le tipiche fluttuazioni sono di circa /-30° e possono essere ridotte notevolmente incrementando la robustezza delle meccaniche utilizzate,come mostrato in fig 4. The typical fluctuations are about / -30 ° and can be reduced considerably by increasing the strength of the mechanics used, as shown in fig 4.
Una tecnica attiva per poter ridurre tali fluttuazioni è quella di utilizzare il segnale di riferimento per pilotare uno specchio piezoelettrico (6*) montato al posto di uno degli specchi (Fig 5). An active technique to reduce these fluctuations is to use the reference signal to drive a piezoelectric mirror (6 *) mounted in place of one of the mirrors (Fig 5).
Applicando una tensione (indicata con Vps) allo specchio piezoelettrico (6) (0-150 V) si varia il cammino ottico tra i due fasci curanti; questo provoca una modulazione del segnale di riferimento (indicato con Vpd). Analizzando l ' andamento del segnale di riferimento in funzione della tensione applicata allo specchio si ottiene un andamento di tipo sinusoidale, come mostrato in fig. 6 Mediante una procedura di fit teorico è possibile plottare tale andamento con una legge sinusoidale. La relazione funzionale utilizzata è la seguente: By applying a voltage (indicated by Vps) to the piezoelectric mirror (6) (0-150 V) the optical path between the two curative beams is varied; this causes a modulation of the reference signal (indicated with Vpd). By analyzing the trend of the reference signal as a function of the voltage applied to the mirror, a sinusoidal trend is obtained, as shown in fig. 6 By means of a theoretical fit procedure it is possible to plot this trend with a sinusoidal law. The functional relationship used is the following:
in cui con A,B,C,D,E,F, sono stati indicati i parametri di fit. in which with A, B, C, D, E, F, the fit parameters have been indicated.
Per poter rendere soddisfacente l'accordo tra i due andamenti, si è sviluppata la funzione seno (il cui argomento è la tensione applicata allo specchio piezoelettrico 6*) con uno sviluppo polinomiale arrestato al terzo ordine. Il confronto tra l'andamento teorico e quello sperimentale è riportato in fig 7. In order to make the agreement between the two trends satisfactory, the sine function (whose argument is the voltage applied to the piezoelectric mirror 6 *) has been developed with a polynomial development arrested at the third order. The comparison between the theoretical and experimental trends is shown in fig 7.
Utilizzando l'andamento teorico e sperimentale del segnale(riportati nell'equazioni 1,2) è possibile definire anche uno sfasamento teorico e sperimentale tra la figura di interferenza (generata dalla sovrapposizione dei fasci 20, 21) e il reticolo di prova. Using the theoretical and experimental trend of the signal (reported in equations 1,2) it is also possible to define a theoretical and experimental phase shift between the interference pattern (generated by the superposition of the beams 20, 21) and the test grating.
La differenza φretra i due sfasamenti ci da informazioni sulla fase residua, come riportato in fig 8. Si osserva che tale fase residua è trascurabile per bassi valori della tensione applicata allo specchio piezoelettrico (6*) e la sua ampiezza aumenta all'aumentare di tale valore. Si può facilmente dedurre che, a basse tensioni, la componente non lineare è trascurabile per cui, lavorando in un range di valori compresi tra 0-80 Volt,lo spostamento dello specchio piezoelettrico è essenzialmente proporzionale alla tensione applicata . The difference φret between the two phase shifts gives us information on the residual phase, as shown in fig 8. It is observed that this residual phase is negligible for low values of the voltage applied to the piezoelectric mirror (6 *) and its amplitude increases as this increases. value. It can be easily deduced that, at low voltages, the non-linear component is negligible so that, working in a range of values between 0-80 Volts, the displacement of the piezoelectric mirror is essentially proportional to the applied voltage.
La tecnica utilizzata è stata denominata "P.I.D (Proportional Derivative Integral) da singolo fotodiodo" . La procedura standard è la seguente: • Calibrazione: si invia una tensione a rampa allo specchio piezoelettrico (6*); ciò produce una differenza di cammino ottico tra i due bracci (20,21) dell'interferometro. Conseguenza di ciò, come visto precedentemente, è una modulazione del segnale di riferimento (monitorato dal fotorilevatore 15). Un apposito programma che nel nostro caso particolare è stato realizzato in C++, individua la prima regione lineare (come mostrato in fig. 9)e invia allo specchio piezoelettrico(6*) una tensione di "bias" per poterlo predisporre in quella regione di lavoro. Il sistema di stabilizzazione della figura di interferenza può essere sintetizzato dal diagramma di flusso riportato in figura 11, che presenta le seguenti fasi : The technique used was called "P.I.D (Proportional Derivative Integral) from a single photodiode". The standard procedure is as follows: • Calibration: a ramp voltage is sent to the piezoelectric mirror (6 *); this produces a difference in the optical path between the two arms (20,21) of the interferometer. The consequence of this, as seen previously, is a modulation of the reference signal (monitored by the photodetector 15). A special program that in our particular case was created in C ++, identifies the first linear region (as shown in fig. 9) and sends a "bias" voltage to the piezoelectric mirror (6 *) to be able to set it in that working region . The interference pattern stabilization system can be summarized by the flow diagram shown in Figure 11, which presents the following steps:
• Acquisizione: mediante una scheda di acquisizione, montata su un pc standard, si acquisisce il segnale di riferimento (fotorilevatore 15) prodotto dal reticolo di prova (16). • Acquisition: by means of an acquisition card, mounted on a standard PC, the reference signal (photodetector 15) produced by the test grid (16) is acquired.
• Analisi: Il primo valore acquisito viene scelto, per comodità, come set-point. Vale a dire, come il valore al quale proviamo a stabilizzare il segnale di riferimento. • Analysis: The first value acquired is chosen, for convenience, as the set-point. Namely, as the value at which we try to stabilize the reference signal.
Si definisce poi un segnale {Δν= VPD- Vs)di errore come la differenza tra i successivi valori acquisiti e il set-point. An error signal {Δν = VPD-Vs) is then defined as the difference between the subsequent acquired values and the set-point.
• Scrittura: Se tale segnale di errore è nullo, significa che il sistema è stabile. Il codice non esegue nessuna operazione. Se il segnale d'errore è diverso da zero, il codice invia (trami seriale) allo specchio piezoelettrico (6*), una tensione contenente tre componenti: • Write: If this error signal is null, it means that the system is stable. The code does nothing. If the error signal is different from zero, the code sends (via serial) to the piezoelectric mirror (6 *), a voltage containing three components:
Una prima componente proporzionale al segnale di errore, una componente proporzionale all'integrale del segnale di errore, e una componente proporzionale alla derivata del segnale di errore. In cui con P, I, D, sono stati indicati i fattori di guadagno, con At l'intervallo temporale, mentre con Vconst il valore di "Bias" che durante la fase di calibrazione il sistema aveva inviato allo specchio piezoelettrico (6*)per poterlo predisporre nella regione di lavoro lineare. A first component proportional to the error signal, a component proportional to the integral of the error signal, and a component proportional to the derivative of the error signal. In which with P, I, D, the gain factors were indicated, with At the time interval, while with Vconst the "Bias" value that the system had sent to the piezoelectric mirror during the calibration phase (6 *) to be able to set it up in the linear working region.
In questo modo la posizione dello specchio piezoelettrico (6*) viene sempre riportata a quella di riferimento, ovvero alla posizione che non produce segnale di errore. Infatti, come possiamo osservare (Fig 9), le fluttuazioni vengono notevolmente ridotte e controllate quando il processo di feedback ottico è attivo. In this way the position of the piezoelectric mirror (6 *) is always brought back to the reference one, that is to the position that does not produce an error signal. Indeed, as we can observe (Fig 9), the fluctuations are significantly reduced and controlled when the optical feedback process is active.
REFERENCES REFERENCES
1. R. Caputo, C. Umeton, A. Veltri, A.V. Sukhov and N.v3⁄4 “Realization of regular layered structures mode of thin liquid crystal films separated by slides of polymeric material (POLICRYPS)” ΓΓ-Α- T02003A000530 (July 9, 2003). 1. R. Caputo, C. Umeton, A. Veltri, A.V. Sukhov and N.v3⁄4 "Realization of regular layered structures mode of thin liquid crystal films separated by slides of polymeric material (POLICRYPS)" ΓΓ-Α- T02003A000530 (July 9, 2003).
2. R. Caputo, L.De Sio, A.Veltri, A. V. Sukhov, C.Umeton Observation of two-wave coupling during thè formation of POUCRYPS diffraction gratings Optics Lettera 30, 1840-1842 (2005) 2. R. Caputo, L. De Sio, A. Veltri, A. V. Sukhov, C. Umeton Observation of two-wave coupling during the formation of POUCRYPS diffraction gratings Optics Letter 30, 1840-1842 (2005)
3. TREPANIER FRANCOIS (CA); POULIN MICHEL (CA), « Method for manufacturing complex grating masks having phase shifted regions and a holographic set-up for making thè same” US-A- US2004008413 3. TREPANIER FRANCOIS (CA); POULIN MICHEL (CA), "Method for manufacturing complex grating masks having phase shifted regions and a holographic set-up for making the same" US-A- US2004008413
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